Un minuscule cristal d'or, plus fin qu'un cheveu humain, a réalisé ce qu'aucun matériau naturel n'avait pu faire auparavant : trier et transporter différents états quantiques de la lumière à température ambiante. Cette percée, rapportée dans Nature par des chercheurs de l'Université d'État de Louisiane aux États-Unis, pourrait libérer la technologie quantique des encombrants systèmes de réfrigération ultra-froids qui l'ont longtemps confinée à des laboratoires spécialisés.
Un matériau qui ignore la chaleur
Presque tous les matériaux quantiques découverts jusqu'à présent nécessitent un refroidissement proche du zéro absolu. À température ordinaire, la chaleur fait vibrer les atomes, et ces vibrations détruisent les délicats effets quantiques dont les scientifiques ont besoin. Supprimer ce mouvement exige généralement de grands systèmes cryogéniques, rendant les dispositifs quantiques impraticables pour un usage quotidien.
L'équipe de LSU, dirigée par le professeur associé Omar S. Magaña-Loaiza, a conçu un matériau qui contourne entièrement ce problème. Ils ont commencé avec un mince film d'or sur une puce en verre et ont utilisé des faisceaux d'ions focalisés pour y graver des centaines de fentes microscopiques. Chaque fente agit comme un atome artificiel, ou méta-atome. Ensemble, ces méta-atomes forment une structure qui se comporte comme un cristal, mais qui n'existe pas dans la nature.
Un filtre pour la lumière quantique
Lorsque la lumière frappe la puce, elle se déplace sur la surface dorée et interagit avec les méta-atomes conçus. En ajustant la taille, la forme et l'espacement des fentes, les chercheurs ont obtenu un contrôle précis sur la façon dont le matériau gère différents états quantiques de la lumière. Le métacristal agit comme un filtre, dirigeant chaque type de lumière quantique le long de son propre chemin tout en préservant l'information qu'il transporte.
Chenglong You, ancien chercheur postdoctoral maintenant à l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, a déclaré que le moment le plus excitant est venu lorsque le matériau a fonctionné exactement comme la théorie l'avait prédit. « Voir cela fonctionner exactement comme nous l'avions prédit a été incroyablement gratifiant », a-t-il dit.
Un plan pour les futurs dispositifs quantiques
Au-delà de la démonstration d'un nouveau matériau unique, l'étude établit une stratégie de conception qui pourrait être utilisée pour créer toute une famille de matériaux quantiques à température ambiante. De tels matériaux pourraient éventuellement soutenir des ordinateurs quantiques, des systèmes de communication sécurisés, des capteurs avancés et de nouvelles technologies énergétiques.
Cette avancée répond à l'un des obstacles les plus importants dans la recherche sur les matériaux quantiques. Bien que le travail en soit encore à ses débuts, il offre une voie pratique vers des dispositifs quantiques qui fonctionnent dans des conditions quotidiennes, sans besoin de congélation extrême.
